(LANs) Mg. Gabriel H. Tolosa tolosoft@unlu.edu.ar A computer is more likely to communicate with computers that are nearby than with computers that are distant (locality principle) Douglas Comer
Características Zona geográfica reducida (oficina/edificio/campus) Medios físicos compartidos Protocolos simples Cableado (uso) privado Alta velocidad de transmisión Bajo retardo propagación Baja tasa de error Costo bajo
Características Zona geográfica reducida (oficina/edificio/campus) Medios físicos compartidos Protocolos simples Cableado (uso) privado Alta velocidad de transmisión Bajo retardo propagación Baja tasa de error Costo bajo
Modelo OSI IEEE 802 LLC Logical Link Control MAC Medium Access Control 802.1 Cuestiones comunes.1b Direccionamiento, administración.1d Puentes (802.1.d) 802.2 Control lógico del enlace (LLC) 802.3 CSMA/CD.3a 10B2.3d 10FX.3i 10BT.3u Fast Eth.3z Giga Eth 802.4 Token bus 802.5 Token ring 802.11 Wireless
Funciones de los Protocolos (IEEE) Secuenciación Control de errores Control de flujo Multiplexar protocolos de red Armado y desarmado de tramas Detección de errores Direccionamiento Control de acceso al medio Codificación/decodificación Generación/eliminación preámbulo Sincronización Detección de colisiones
Elementos que las Definen Topología Medios Modos de Transmisión Full duplex (por canales físicos separados) Half Duplex (canal único y compartido) Acceso al Medio (asignación del canal) Por ejemplo, CSMA CSMA/CA, Anillo/testigo
(canal SIEMPRE disponible) A) ESTATICA 1) FDM (no es eficiente en LANs) 2) TDM ASIGNACION CANAL (Existencia de colisiones) 1.1.1) ALOHA B) DINAMICA 1) Prot. CON contienda 1.1) SIN detectar portadora 1.2) CON detección portadora 1.1.2) ALOHA ranurado 1.2.1) CSMA 1.2.2) CSMA/CA 1.2.3) CSMA/CD (Se espera por scceso al canal) 2) Prot. SIN contienda 2.1) Paso Anillo testigo 2.2) Mapa de bits (No hay colisiones)
Protocolos de Acceso Múltiple Acceso Aleatorio Cuándo una estación puede acceder al medio? Cómo se determina el éxito o fracaso de la transmisión? Qué se debe hacer si hubo un conflicto? Por ejemplo, ALOHA, CDMA/CD Acceso Controlado Reserva Encuesta Paso de Testigo Definen canales (Multiplexación) FDMA, TDMA, etc.
Asignación Dinámica CON Contienda ALOHA (Abramson 1970) Red vía radio para interconectar sedes situadas en islas (Universidad de Hawai) Una estación puede transmitir en cualquier instante de tiempo y luego esperaba por ACK. Si vencido un timer éste no llegaba, la estación retransmitía la trama Dos canales entre una estación e y la estación maestra 1 canal de datos estación usuario -> estación maestra 1 canal de ack/datos estación maestra -> estación usuario Eficiencia 18%
Asignación Dinámica CON Contienda ALOHA Ranurado (Roberts, 1972) Hay sincronización entre todas las estaciones, la estación maestra enviaba una señal (por un tercer canal) al inicio de cada ranura. Los mensajes se definieron de largo l bits, y se defieron ranuras de tiempo r = l / vtx seg. Ahora las estaciones están sincronizadas y solo pueden tx al inicio de una ranura de tiempo. Una estación puede tx SOLAMENTE al inicio de una ranura de tiempo. En caso existir una colisión, retardan su retransmisión un tiempo al azar. Tres canales entre una estación y la estación maestra Se reduce periodo de contienda. Eficiencia 39%
Asignación Dinámica CON Contienda ALOHA Ranurado (Ejemplo) En el slot 1, colisionan los 3 nodos. En el slot 4, el nodo 2 transmite exitosamente, El nodo 1 lo logran en el slot 8 y el 3 en el 9.
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Detección de portadora: Escuchar antes de hablar Control de acceso distribuido entre todos los nodos de la red Antes de transmitir la estación sensa el canal: Si está libre => tx Si está ocupado => retarda su transmisión (en modo persistente-1 sigue escuchando hasta que el canal esté libre y en modo no-persistente realiza pruebas de sensado en otros instantes de tiempo) Luego de comenzar a Tx, si la señal fue sensada por todas las demás estaciones NO hay posibilidad alguna de colisión. El tiempo de contienda (espacio de tiempo donde pueden existir colisiones) se reduce al tiempo de propagación de la señal entre el nodo que Tx y el nodo más alejado a éste. Eficiencia 55%
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA (Carrier Sense Multiple Access) channel propagation delay
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CA (CSMA/Colission Avoidance) En CSMA/CA, cada sensa el canal antes de Tx. Si esta libre trasmite y espera un determinado tiempo por un mensaje ack. En caso de no llegar asume colisión y luego de un periodo de espera al azar retransmite. Método utilizado en redes inalámbricas (802.11) dado que no pueden detectar colisiones mientras transmiten.
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CA (CSMA/Colission Avoidance)
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CD (CSMA/Colission Detection) Cada estación sensa el canal antes de Tx. Si esta libre transmite y mientras lo hace sensa el medio a los efectos de detectar si hay una colisión (de forma analógica midiendo niveles de voltaje, en el cable debería existir unicamente la energía que ella está inyectando). En caso de colisión detiene la transmisión inmediatamente y espera un tiempo al azar antes de reintentar. Si al sensar el canal está ocupado escucha hasta que se desocupe. Tiempo mínimo para asegurar que NO haya colisiones -> 2t (t tiempo de propagación entre estaciones más distantes) -> Largo mínimo de trama. Método utilizado en redes cableadas Ethernet e IEEE 802.3 A mayor cantidad de equipos en la red, mayor tráfico de red. A medida que aumenta el tráfico, tienden a aumentar la anulación de colisiones y las colisiones, que ralentizan la red, de forma que CSMA/CD puede convertirse en un método de acceso lento.
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CD (CSMA/Colission Detection) En ethernet la posibilidad de detección de colisiones es el parámetro que impone una limitación en cuanto a distancia entre estaciones de la LAN. Debido a la atenuación, el debilitamiento de una señal transmitida a medida que se aleja del origen, el mecanismo de detección de colisiones no es apropiado a partir de 2.500 metros. Los segmentos no pueden detectar señales a partir de esa distancia y, por tanto, no se puede asegurar que un equipo del otro extremo esté transmitiendo.
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CD (CSMA/Colission Detection) Algoritmo Tx trama lista? NO Esperar espera canal ocupado? SI NO NO Esperar IFG 96 bit/times Computar k y r Backoff TX Avisar capa 3 Deshabilitar capa 2 SI MAX intentos? colisión? SI Abortar TX TX jam
Asignación Dinámica CON Contienda CSMA/CD (CSMA/Colission Detection) Algoritmo Rx Comienzo de recepción Fin Rx? NO NO Si trama corta? (colisión) Error NO NO Reconoce dirección? SI FCS OK? SI Desencapsular trama Rx OK
Asignación Dinámica SIN Contienda Paso de Testigo en Anillo En este método, circula por el anillo un paquete especial denominado testigo (token). Cuando una estación necesita enviar datos, tiene que esperar capturar un testigo libre. Cuando se detecta un testigo libre, el equipo se apodera de él si tiene datos que enviar. Mientras un equipo usa el testigo los otros equipos no pueden transmitir datos. Debido a que sólo puede haber un equipo utilizando el testigo no se producen colisiones ni contención y no se pierde tiempo esperando a que los equipos vuelvan a enviar los testigos debido al tráfico. El protocolo no se desestabiliza por saturación (tal como es el caso de los métodos de contienda) El protocolo soporta prioridades (como característica alternativa) Una estación debe tener capacidades extras que permitan administrar la red, tales como: a) inicio del anillo, b) detección de anillo faltante por falla y c) entrada y salida de estaciones
Asignación Dinámica SIN Contienda Paso de Testigo en Anillo Ejemplo a) El testigo libre llega a PC-2, ésta marca el testigo y añade su carga de datos dirigida a PC-4 b) PC-2 reenvia la trama a PC-3. c) PC-3 reenvía la trama a PC-4 d) PC-4 toma la carga de datos y reenvia la trama a PC1 e) PC-1 reenvía la trama a PC-2 f) PC-2 libera el testigo y lo reenvía
LANs IEEE Trama genérica Preámbulo (7) SFD (1) DD (6) DO (6) Long (2) Datos LLC FCS (4)
Control Lógico del Enlace (LLC) PDU D-SAP (1) S-SAP (1) Ctrl LLC (1 o 2) Carga Servicios NO orientado a la conexión SIN confirmación No hay control de flujo, ni administración de error, ni control de secuencia (tipo datagrama) NO orientado a la conexión CON confirmación No se establece conexión pero se confirman los datagramas CON Conexión Similar a HDLC, control de flujo y retransmisión de tramas. Ideal para ambientes con alta tasa de error
Formato de Trama (MAC)
Ethernet Originalmente, desarrollada por Robert Metcalfe en el Xerox PARC a mediados de 1970 Normalizada por IEEE como 802.3 (1985) Ethernet Physical Layer Ethernet Medium Access (MAC) Sublayer CSMA/CD en modo 1-persistente Ethernet standard 2 Mbps IEEE 802.3 standard 10 Mbps IEEE 802.3u standard 100Mbps Ethernet (Fast Ethernet) IEEE 802.3z standard 1,000Mbps Ethernet (Giga Ethernet)
Arquitectura de Ethernet
Ethernet Varios estándares IEEE 10 BASE 5 Velocidad (Mbps) Long. máx segmento Señalización (x 100 mts)
Ethernet 10 Base 5 10 Base 2
Ethernet 10 Base T 10 Base F 10 Base FP Estrella Segmentos de 500 Mts 10 Base FL Punto a Punto Enlaces de hasta 2 Kms 10 Base FB Punto a Punto Enlaces de hasta 2 Kms c/15 repetidores en cascada
Ethernet Codificación Manchester 0 Alto-Bajo 1 Bajo-Alto
Ethernet CSMA/CD Tres estados Contienda Transmisión Disponible
Ethernet Transmisión
Ethernet Recepción
Ethernet Colisión Dominio de Colisión Cómo se detecta la colisión? Variación de tensión (intensidad de la señal mayor a la que se está transmitiendo) Qué hacen las estaciones que la detectan? Envían señal de JAM(32-48 bits): 10101010-10101010-
Ethernet
Ethernet Formato de Trama
Ethernet Esquemas de Direcciones Ejemplo: ID ORG 00-00-00 - XEROX 00-00-1A - AMD 00-01-02-3COM AA-00-04 - DEC
Ethernet Longitud mínima de trama La trama de longitud mínima debe ser lo suficientemente larga para detectar una colisión antes de que termine su Tx Situación: Suponiendo A y B en los extremos del cable 64 bytes => 6 + 6 + 2 + 46 + 4 => 512 bits (Slot time 51.2 µs) Sino: Colisión tardía (generalmente, por configuración fuera de norma)
Ethernet Tiempo entre tramas sucesivas Intervalo obligatorio de 9.6 microsegundos entre 2 tramas: Interframe Gap (permite que otras estaciones puedan transmitir en ese período)
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Puentes para LANs Motivación Interoperabilidad: Se dispone de redes locales basadas en medios físicos y subcapas de acceso diferentes. Distancia: Se necesita cubrir una distancia mayor que la que puede cubrirse con una tecnología. Número de computadoras: Se quiere conectar más equipos que los que se permiten en una red local. Reducción de congestión: Si existe una elevada cantidad de tráfico, principalmente de carácter local, se puede dividir la red en varias mediante puentes (envío de tramas en paralelo) Seguridad: En una red local cualquier computadora funcionando en modo promiscuo puede capturar todas las tramas que circulan. La división en varios segmentos evita en cierta medida esta situación.
Puentes para LANs Tipos Puentes transparentes Se usan en el ambiente Ethernet Generalmente, conocidos como switch Puentes Remotos Permiten interconectar redes remotas como una única LAN Puentes de traducción (translational bridges) Permiten interconectar redes con distintos protocolos MAC de forma transparente. Ejemplo, Ethernet y Token Ring
Puentes para LANs Puentes de traducción Problemas Reformateo de la trama Campos inexistentes (Por ejemplo, prioridad y reserva en TR) Acuse de recibo (bits A y C del campo Status en TR) Formato de las direcciones MAC (bit order) Diferente tamaño máximo de trama Ethernet 1500 bytes Token Ring 5000 bytes a 4 Mbps 20000 bytes a 16 Mbps. Token-ring Puente Traductor Ethernet Puente Encaminamiento Origen Puente Transparente Token-ring Ethernet Ethernet
Puentes para LANs Puentes Remotos Básicamente, funcionan de la misma forma que los puentes locales, salvo que 1 puerto está vinculado a un enlace WAN dedicado (típicamente, entre 128 Kbps y 2048 Mbps) También es posible unir los puentes remotos por redes tipo ATM, X.25, Frame Relay. Ethernet Ethernet X.25 Fram Relay Bridge Bridge Bridge Modem Modem Bridge Ethernet Bridge Token ring Ethernet
Algoritmo de Bridge Los puentes escuchan en todos sus puertos en mod promiscuo Observan las direcciones de cada trama y arman tablas con las de cada segmento Reenvían (forward) solo si es necesario Address Learning Ejemplo:
Algoritmo de Árbol de Expansión Problemática Pueden existir loops en redes unidas mediante puentes Entonces, caminos múltiples A Dominio 1 Puente 1 Puente 2 Solución Protocolo de Árbol de Expansión (Spanning Tree) Los puentes ejecutan el protocolo y definen cuáles puertos utilizarán para el tráfico, bloqueando los que generan ciclos. Se forma un árbol lógico Se mantiene de forma dinámica Dominio 2 B
Algoritmo de Árbol de Expansión Original Luego de ejecutar STA
Inalámbricas Qué es una Wireless LAN? LAN que utiliza señales de RF para transmitir por el aire La energía se irradia en todas las direcciones (antenas) Se utilizan potencias bajas => Distancias cortas Ejemplos: Airport (Apple) AirLAN (Solectek) 802.11 (IEEE) y Bluetooth? Wireless <> Móvil Qué es WIFI?
Inalámbricas Ventajas de las WLAN Facilidad de instalación Reducción de costos de instalación y manteniemiento Escalabilidad, ya que el agregado de estaciones es casi inmediato. Facil reconfiguración de la topología Estética (?) Posibles usos Pequeños grupos de trabajo (o ad-hoc) Edificios de dificil cableado o imposibles de cablear Entornos altamente dinámicos o móviles (ferias, congresos) Situaciones de emergencias o de rápido montaje y desmontaje
Inalámbricas Elementos Estación Base (Access-Point) Nodos wireless Modos Ad-Hoc Infraestructura Cuestiones Problema del nodo oculto Desvanecimiento de la señal C B A A B C A s signal strength C s signal strength space Fuente: Kurose-Ross [KUR]
Inalámbricas IEEE 802.11 Como Ethernet, utiliza CSMA Acceso aleatorio Sensado de portadora A diferencia de Ethernet No hay detección de colisión (no se pueden detectar) Acuse de recibo Objetivo Evitar las colisiones => CSMA/CA (Collision Avoidance)
Inalámbricas IEEE 802.11 CSMA/CA Emisor Si canal ocioso por DIFS => Transmite trama completa (siin CD) DIFS sender Si canal ocupado: Comenzar tiempo de backoff data Cuenta regresiva mientras el canal está ocioso Cuando expira el timer, transmite ACK Si no recibe el ACK Incrementa el intervalo de backoff y recomenzar Receptor Si recibe la trama OK => Transmite ACK luego de SIFS receiver SIFS
Inalámbricas RTS/CTS Idea: permitir que el emisor reserve el canal (no acceso aleatorio) para evitar las colisiones Emisor: Transmite un mensaje request-to-send al AP usando CSMA AP envía un CTS (clear-to-send) mediante broadcast en respuesta al RTS Emisor transmite mientras las otras estaciones esperan El RTS es un mensaje muy pequeño que se usa para reservar el canal y evitar las colisiones completamente.
Inalámbricas Trama frame control 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC Address 1: MAC address of wireless host or AP to receive this frame Address 2: MAC address of wireless host or AP transmitting this frame Address 3: MAC address of router interface to which AP is attached Address 3: used only in ad hoc mode Fuente: Kurose-Ross [KUR]